그래핀과 MWCNT의 시너지 보강으로 Cu/Ti₃SiC₂/C 나노복합체의 미세구조 및 기계적 성능 향상

요약

1차원 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 2차원 그래핀을 결합하면 구리 매트릭스 내 보강 입자의 분산성, 젖음성, 결합력을 향상시키는 시너지 인터페이스가 생성됩니다. 기계적 합금화, 진공 열압착(VHP), 열등방압 프레스(HIP)를 사용하여 그래핀과 MWCNT 비율을 변화시킨 Cu/Ti₃SiC₂/C 나노복합체를 제조했습니다. X선 회절, 광학 현미경, SEM, TEM, EPMA 분석으로 미세하고 잘 결합된 미세구조를 확인했습니다. 기계적 테스트 결과 최적 조성인 0.8 wt% MWCNT와 0.2 wt% 그래핀이 최고 경도와 인장 강도를 나타내며, 이는 결정립 미세화, 하중 전달, 오로완 강화, 계면 결합력 향상 때문입니다. 이 결과는 이중 상 탄소 보강 전략이 Cu 기반 복합체 성능을 현저히 개선할 수 있음을 입증합니다.

배경

구리-흑연 복합체는 구리의 우수한 전도성과 흑연의 자가 윤활 특성을 결합하여 항공우주, 전자, 자동차 응용에 매력적입니다. Ti₃SiC₂는 고온 안정성, 산화 저항성, 열전도성을 추가합니다. 그러나 Cu/Ti₃SiC₂/C 복합체만으로는 강도와 내마모성이 여전히 부족합니다. 나노스케일 보강재인 MWCNT와 그래핀 도입으로 이 특성을 개선할 수 있으나, 분산 불량, 젖음성 제한, 약한 계면 등의 문제가 진전을 방해해 왔습니다. 최근 연구는 MWCNT와 그래핀의 하이브리드가 높은 접촉 면적 네트워크를 형성하여 하중 전달과 계면 결합을 개선할 수 있음을 시사합니다.

실험 방법

Cu, Ti₃SiC₂, 흑연, MWCNT, 그래핀 나노플레이틀릿 원료 분말을 초음파 교반으로 분산시켰습니다. Ar-NH₃ 플라즈마와 저농도 루틴 또는 갈산 용액으로 표면 개질하여 젖음성을 향상시켰습니다. 고에너지 볼 밀링(아가트 매체)으로 분말을 10:1 질량비, 터트-뷰틸 알코올 바인더로 혼합했습니다. 혼합물을 건조한 후 VHP(950°C, 20 MPa, 2시간) 후 HIP(900°C, 100 MPa, 2시간)로 소결했습니다. 상대 밀도는 아르키메데스 원리로 측정했습니다. 미세구조는 OM, XRD, SEM/EDS, TEM으로 조사했습니다. 경도, 압축, 전단 시험을 범용 시험기에서 0.5 mm/min 속도로 수행했습니다. 모든 데이터는 0.8 wt% 그래핀/0.2 wt% MWCNT, 0.5/0.5, 0.2/0.8 조성 간 비교되었습니다.

결과 및 고찰

분말 미세구조 및 상 확인

SEM 이미지는 MWCNT가 Cu 입자를 연결하고 그래핀 층이 매트릭스 내에 분산되어 응집을 감소시킴을 확인했습니다. XRD 패턴은 Cu, Ti₃SiC₂, 흑연 상의 유지와 산화나 원치 않는 반응의 부재를 보여줍니다. 기계적 합금화는 상 무결성을 보존하면서 보강재와 구리 매트릭스 간 밀착 접촉을 촉진했습니다.

복합체 미세구조

조직학은 연속적인 Cu 매트릭스에 Ti₃SiC₂ 입자와 격리된 흑연 또는 탄소 클러스터가 분산된 구조를 보여줍니다. Ti₃SiC₂는 950°C에서 TiC와 Si로 분해되며, 후자는 Cu₉Si 고용체를 형성하여 계면 결합을 강화합니다. EPMA 매핑은 Cu, Ti, Si, C, La(치밀화 첨가)의 균일한 분포를 확인했습니다.

소결 중 상 변환

열역학 분석은 Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = -106.5 kJ mol⁻¹)가 자발적임을 확인했습니다. 후속 반응(Si + 9Cu → Cu₉Si)과 (C + Si → SiC)도 발열 반응으로, 최종 미세구조에서 관찰된 TiC와 Cu₉Si 상 형성을 이끕니다.

기계적 특성

그래핀을 0.5 wt%에서 0.8 wt%로 증가시켰을 때 경도는 약 9%만 감소하여, 과도한 그래핀이 응집과 기공을 촉진함을 나타냅니다. 인장 및 압축 강도는 0.8 wt% 그래핀에서 약 12% 감소, 전단 강도는 약 20% 감소했는데, 이는 모두 약한 계면 결합과 미세 균열 형성 증가와 일치합니다. 최적 0.8 wt% MWCNT/0.2 wt% 그래핀 조성이 최고 치밀화(이론치 ≈97%)와 기계적 성능을 보였습니다.

인장 파면 분석

파면 SEM은 전형적인 딤플과 쪼개짐 면을 보여주며, 그래핀 풀아웃과 MWCNT 파편화 증거가 있습니다. 응집된 그래핀 시트는 미세 균열 개시점에 기여한 반면, 잘 분산된 MWCNT는 하중 전달을 개선했습니다. 이러한 효과의 균형이 전체 인성을 결정합니다.

결론

1. 진공 열압착과 HIP로 MWCNT와 그래핀 보강 Cu/Ti₃SiC₂/C 복합체 제조 가능.
2. 시너지는 높은 치밀도, 균질 분산, 강한 계면 결합에서 기인.
3. 최고 기계적 성능은 0.8 wt% MWCNT와 0.2 wt% 그래핀에서 달성; 이 이상에서는 응집으로 성능 저하.
4. 향상 메커니즘은 결정립 미세화, 하중 전달, 오로완 강화, 계면 강화.